CN113044990B - 一种污水处理用生物膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种污水处理用生物膜的制备方法，涉及污水处理领域。本发明的方法主要包括以下步骤：(1)菌藻液的制备：制备玫瑰杆菌菌液、地衣芽孢杆菌菌液和龙骨栅藻藻液；(2)载体的选择：以竹炭纤维、海藻纤维制成的纤维面料；(3)生物膜的培养：将载体均匀水平悬挂于待处理污水中，加入步骤(1)的藻液和菌液，进行生物膜培养，即得生物膜。本发明使用玫瑰杆菌、地衣芽孢杆菌和龙骨栅藻的组合系统，经培养后达到生物膜中各微生物之间的和谐共生，提高微生物的生长繁殖能力，进一步提高生物膜的污水处理能力。采用以竹炭纤维和海藻纤维制成的载体，生物膜达到最高的挂膜率和最低的脱膜率，且挂膜速度最快，24h基本达到最高挂膜率。

Description

一种污水处理用生物膜的制备方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理用生物膜的制备方法。
背景技术
生物膜指的是微生物依据静电吸附作用或微生物代谢分泌物的粘附作用，附着生长于载体表面所形成的生态系统，其是带有粘性的、薄膜状的微生物混合体，是生物膜法污水处理技术中的主体，可有效吸收降解污水中的污染物，从而达到污水净化的目的。生物膜的制备通常是在菌类、藻类或菌与藻之间的相互作用下产生的，不同的菌类和藻类的作用关系不同，因此所制备的生物膜对水中污染物的处理能力也有所差异，目前技术人员仍不断的探寻一种高效的菌藻组合。此外，载体对于生物膜的污水处理能力也有明显影响，常见的生物膜载体主要有生物绳、珊瑚石、生化棉等，但采用这些常见载体制备生物膜时往往效率不高，挂膜率不高且挂膜较慢，且在使用过程中容易出现生物膜老化脱模，进一步影响到污水处理的效益。
发明内容
鉴于现有技术的不足，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种污水处理用生物膜的制备方法。
本发明方案包括以下内容：
一种污水处理用生物膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)菌藻液的制备
制备玫瑰杆菌菌液、地衣芽孢杆菌菌液和龙骨栅藻藻液；
(2)载体的选择
以竹炭纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。
(3)生物膜的培养
将载体均匀水平悬挂于待处理污水中，加入步骤(1)的藻液和菌液，进行生物膜培养，即得生物膜。
优选的，玫瑰杆菌菌液的浓度是107～109cfu/mL，地衣芽孢杆菌菌液的浓度是107～109cfu/mL，龙骨栅藻藻液的浓度是107～109个/mL。菌类分泌的信号分子会诱导藻类的行为和状态，藻类又能释放调控菌类群体感应的特定化学物质。本发明加入菌藻液，菌与藻相互作用，协同共生，提高生物膜的形成速率及对污染物的吸附及降解能力。
优选的，步骤(2)中，纤维面料置于β-丙氨酸水溶液中50～60℃静置，干燥后再转入含硫代硫酸钾和丙三醇的水溶液中50～70℃静置。载体经β-丙氨酸、硫代硫酸钾和丙三醇的组合改性，进一步提高挂膜效果，降低脱附率。
进一步的，过高或过低的温度、pH会对生物膜的形成及活性产生抑制作用，本发明中生物膜培养的条件应当控制在：水温20～35℃、pH7～9、溶解氧不低于2mg/L。
优选的，步骤(3)生物膜培养的条件是：将载体均匀水平悬挂于待处理污水中，首先加入地衣芽孢杆菌菌液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧2～3mg/L条件下培养2～4h后，加入玫瑰杆菌菌液和龙骨栅藻藻液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧大于4mg/L的条件下培养生物膜。
优选的，β-丙氨酸水溶液的质量浓度为3～5％。
优选的，硫代硫酸钾的质量浓度为2～5％，丙三醇的质量浓度为2～5％。
优选的，每次静置至少1h。
本发明所取得的有益效果：
(1)菌藻之间存在复杂的相互关系，它们可能相互抑制，也可能相互利用与促进。藻类可提高水中溶解氧含量，使得微生物的去除污染物能力增强。而微生物可通过自身的生化作用将有机化合物分解成二氧化碳以及小分子有机酸等物质，这些物质可有效促进藻类的高效繁殖。藻类与微生物的和谐共生关系，提高了生物膜清楚污染物的能力。本发明使用玫瑰杆菌、地衣芽孢杆菌和龙骨栅藻的组合系统，达到生物膜中各微生物之间的和谐共生，提高微生物的生长繁殖能力，进一步提高生物膜的污水处理能力。
(2)生物膜的脱附率和载体与微生物之间的粘附能力、微生物与微生物之间的粘附能力等因素相关。本发明使用玫瑰杆菌、地衣芽孢杆菌和龙骨栅藻的组合，并以竹炭纤维和海藻纤维制成的载体，生物膜达到最高的挂膜率和最低的脱膜率，且其挂膜速度最快，24h基本达到最高挂膜率。
(3)使用本发明制得的生物膜，更有利于微生物与水体中的有机物发生脱羧、脱氨、氧化还原、水解等一系列的生理生化反应，使大部分有害物被分解、转化，达到更加良好的污水净化的作用。
(4)本发明经多年研究意外发现将载体置于β-丙氨酸水溶液中50～60℃静置，干燥后再转入含硫代硫酸钾、丙三醇的水溶液中50～70℃静置，能够对载体起到改性作用，降低生物膜脱附率，挂膜培养24h、48h、72h后脱模率均不高于10％，且所得生物膜的污水处理效果较好。
(5)本发明生物膜的培养条件是水温20～35℃、pH7～9、溶解氧不低于2mg/L。合理的培养条件才能使得藻类和菌类达到和谐共生，不利的生长条件反而使得二者之间形成竞争关系，不利于生物膜的形成以及对污染物的处理。
(6)本发明先加入地衣芽孢杆菌菌液再加入玫瑰杆菌菌液和龙骨栅藻藻液，更有利于达到合理的生物膜系统，使BOD5去除率达到98.2％，COD去除率达到89.5％，SS去除率达到87％，总镉、总砷基本完全去除。
附图说明
图1：实施例2挂膜率统计图
图2：实施例2脱附率统计图
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
以下实施例中所述细菌和藻均为市场上购买所得，本领域技术人员也可通过常规方法于土壤或水体中分离获得。
在生物膜的制备过程中，首先考虑筛选具有高效净化污水能力的微生物；其次考虑如何提高载体与微生物之间的生物相容性、稳定性等。以下提供本发明的研究内容及效果统计数据。
实施例1-菌藻液的选择
本例提供几组菌藻液的污水净化效果。
处理1：玫瑰杆菌(Roseobacter)菌液
处理2：地衣芽孢杆菌(Baclicus lincheniformis)菌液
处理3：蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)菌液
处理4：铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)藻液
处理5：龙骨栅藻(Scenedesmus carinatus)藻液
处理6：玫瑰杆菌(Roseobacter)菌液+地衣芽孢杆菌(Baclicus lincheniformis)菌液
处理7：蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)菌液+地衣芽孢杆菌(Baclicuslincheniformis)菌液
处理8：玫瑰杆菌(Roseobacter)菌液+地衣芽孢杆菌(Baclicus lincheniformis)菌液+龙骨栅藻(Scenedesmus carinatus)藻液
处理9：蜡状芽孢杆菌(Bacillus cereus)菌液+地衣芽孢杆菌(Baclicuslincheniformis)菌液+铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)藻液
(均按107cfu/mL菌液/107个/mL藻液配制)
实验过程：
以市售生物绳SP-100A为生物膜载体。将生物绳均匀悬挂于待处理污水(BOD5为159.9mg/L、COD为297.8.0mg/L)中，生物绳占待处理污水体积的20％，分别按待处理污水体积的5％接种入处理1～处理9的菌藻液，在水温25℃、pH7.3、溶解氧4mg/L的条件下培养生物膜，3d后重新引入待处理污水，循环进出水且污水处理条件与生物膜培养条件一致，处理一周后取水检测，计算BOD5和COD去除率。结果见表1。
表1
Figure BDA0002991617960000041
结果显示：处理8(即玫瑰杆菌+地衣芽孢杆菌+龙骨栅藻)污水培养所得生物膜的污水处理效果最佳，BOD5、COD去除率最高。经后续试验确定，玫瑰杆菌与地衣芽孢杆菌菌液浓度范围在107～109cfu/mL，龙骨栅藻藻液浓度范围107～109个/mL时均能取得较好的去除率，在该范围内较高浓度的菌液或藻液培养所得生物膜的处理效果有所提高，但超出该范围时，处理效果呈现下降趋势。
实施例2-挂膜率、脱附率考察
测试实施例1处理8的挂膜率和脱附率，发现挂膜率和脱附率效果不甚理想，后经不断试验发现最优的生物膜培养方案。部分试验过程及结果如下：
挂膜率测定方法：
将载体烘干，称重，记录载体原重；将载体分别进行挂膜处理8h、12h、24h、48h，取出挂膜后的载体，烘干，称重，记录载体与生物膜质量之和。
挂膜率＝(挂膜后载体与生物膜质量之和-载体原重)/载体原重
脱附率测定方法：
取挂膜处理8h、12h、24h、48h、72h后的载体，放入蒸馏水中静置30min，取出烘干，称重，记录载体与生物膜质量之和；取挂膜处理8h、12h、24h、48h、72h后的载体，放入蒸馏水中，超声处理30min(超声功率50W)，取出烘干，称重，记录超声后载体与生物膜质量之和。根据以下公式计算脱附率。
脱附率＝(载体与生物膜质量之和-超声后载体与生物膜质量之和)/载体与生物膜质量之和
处理A：即实施例1处理8的培养方法；
处理B：以竹炭纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。经密为34～50根/时，纬密为38～42根/时，支数10～14s；
处理C：以涤纶纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。经密为34～50根/时，纬密为38～42根/时，支数10～14s。
(注：其他测试条件保持一致)
表2
Figure BDA0002991617960000051
结果显示：处理B得到最高的挂膜率和最低的脱膜率，且其挂膜速度最快，24h基本达到最高挂膜率。
实施例3-生物膜载体的优化
前期试验显示，采用竹炭纤维与海藻纤维编织的纤维面料具有更好的挂膜率、最高效的挂膜效率和最低的脱膜率。但其中脱膜率达到30％以上，仍需要进一步降低生物膜从载体上的脱附，提高微生物与微生物之间、微生物与载体之间的结合能力。经试验意外发现，载体经以下方式处理后能进一步降低脱附率，挂膜培养24h、48h、72h后脱模率均不高于10％。
载体处理方式：
载体为：以竹炭纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。经密为34～50根/时，纬密为38～42根/时，支数10～14s；将载体置于质量浓度3～5％的β-丙氨酸水溶液中50～60℃静置1h(至少1h)，干燥后再转入含质量浓度2～5％硫代硫酸钾、2～5％丙三醇的水溶液中50～70℃静置1h(至少1h)，干燥待用。
采用该载体进行生物膜制备：
将载体均匀悬挂于装有待处理污水(BOD5为166.2mg/L、COD为311.0mg/L、SS为50.2mg/L、总镉0.06mg/L、总砷0.3mg/L)的容器内，载体占污水体积的20％，分别按待处理污水体积的5％接种入实施例1处理8的菌藻液，在水温27℃、pH7.5、溶解氧4.3mg/L的条件下培养生物膜，24h后重新引入待处理污水，循环进出水且污水处理条件与生物膜培养条件一致，处理一周后取水检测，计算BOD5、COD、SS、总镉、总砷去除率。结果显示，BOD5平均去除率为84.4％，COD平均去除率为82.9％，SS去除率达到83.8％，总镉未检出，总砷去除率达到80.1％。污水处理效果优于实施例1的处理8。
实施例4-优化后的最优制备方法
进一步对生物膜的制备方法进行了优化，改进了菌藻液的添加方式及条件，以下为经优化后的生物膜制备方法：
(1)菌藻液的制备
配制107～109cfu/mL玫瑰杆菌菌液，107～109cfu/mL地衣芽孢杆菌菌液，107～109个/mL龙骨栅藻藻液；
(2)载体的选择
纤维载体：以竹炭纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。经密为34～50根/时，纬密为38～42根/时，支数10～14s。将载体置于质量浓度3～5％的β-丙氨酸水溶液中50～60℃静置1h(至少1h)，干燥后再转入含质量浓度2～5％硫代硫酸钾、2～5％丙三醇的水溶液中50～70℃静置1h(至少1h)，干燥备用。
(3)生物膜的培养
将载体均匀水平悬挂于反应器内(载体体积占待处理污水体积的20～30％)，首先按待处理污水(155.0mg/L、COD为291.8mg/L)体积的5％加入地衣芽孢杆菌菌液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧2～3mg/L条件下培养2～4h后，分别按待处理污水体积的5％加入玫瑰杆菌菌液和龙骨栅藻藻液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧大于4mg/L的条件下培养生物膜，24h后完成生物膜制备。
应用例：
以三亚某污水处理厂为例，采用实施例4的生物膜进行净化处理。
生物膜的制备方法为：
(1)菌藻液的制备
配制107cfu/mL玫瑰杆菌菌液，107cfu/mL地衣芽孢杆菌菌液，107个/mL龙骨栅藻藻液；
(2)载体的选择
纤维载体：以竹炭纤维为纬线，海藻纤维为经线经过喷气织机织造而成的纤维面料。经密为34～50根/时，纬密为38～42根/时，支数10～14s。将载体置于质量浓度5％的β-丙氨酸水溶液中50～55℃静置1h，干燥后再转入含质量浓度5％硫代硫酸钾、5％丙三醇的水溶液中54～56℃静置1h，干燥备用。
(3)生物膜的培养
将干燥载体均匀水平悬挂于反应器内(载体体积占待处理污水的23％)，首先按待处理污水体积的5％加入地衣芽孢杆菌菌液，在平均水温24℃、pH7.6、溶解氧2.3mg/L条件下培养2h后，分别按待处理污水体积的5％加入玫瑰杆菌菌液和龙骨栅藻藻液，在平均水温24℃、pH8.0、溶解氧4.7mg/L的条件下培养生物膜，24h后完成生物膜制备。
采用该生物膜均匀水平悬挂于反应器内进行污水处理(载体体积占待处理污水的23％)。待处理污水为经沉淀池处理后的水体，经检测BOD5为152.5mg/L、COD为280.9mg/L、SS为53.0mg/L、总镉0.05mg/L、总砷0.2mg/L(均值)。待处理污水连续循环进出水，运行一周后检测出水水质，结果显示出水达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，其中BOD5去除率达到98.2％，COD去除率达到89.5％，SS去除率达到87％，总镉、总砷未检出。结果显示，相对于实施例3，本例对BOD5、COD的去除效果最佳，此外，对于总砷的去除效果也极好。
使用该生物膜的污水处理系统现在已成功推广应用于海南省多个村镇污水治理工程，净化出水送入绿化回用水管网回用或排海。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)菌藻液的制备
制备玫瑰杆菌菌液、地衣芽孢杆菌菌液和龙骨栅藻藻液；
(2)载体的选择
以竹炭纤维和海藻纤维织造而成的纤维面料；
(3)生物膜的培养
将载体均匀水平悬挂于待处理污水中，加入步骤(1)的藻液和菌液，进行生物膜培养，即得生物膜。
2.根据权利要求1所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，玫瑰杆菌菌液的浓度是107～109cfu/mL，地衣芽孢杆菌菌液的浓度是107～109cfu/mL，龙骨栅藻藻液的浓度是107～109个/mL。
3.根据权利要求1所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，纤维面料置于β-丙氨酸水溶液中50～60℃静置，干燥后再转入含硫代硫酸钾和丙三醇的水溶液中50～70℃静置。
4.根据权利要求1所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)生物膜培养的条件是：水温20～35℃、pH7～9、溶解氧不低于2mg/L。
5.根据权利要求4所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)生物膜培养的条件是：将载体均匀水平悬挂于待处理污水中，首先加入地衣芽孢杆菌菌液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧2～3mg/L条件下培养2～4h后，加入玫瑰杆菌菌液和龙骨栅藻藻液，在水温20～35℃、pH7～9、溶解氧大于4mg/L的条件下培养生物膜。
6.根据权利要求3所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，β-丙氨酸水溶液的质量浓度为3～5％。
7.根据权利要求3所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，硫代硫酸钾的质量浓度为2～5％，丙三醇的质量浓度为2～5％。
8.根据权利要求3所述污水处理用生物膜的制备方法，其特征在于，每次静置至少1h。
9.通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的生物膜。
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